Đề tài Nghiên cứu nổ vỡ bình chịu áp lực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Tên đề tài: NGHIÊN CỨU NỔ VỞ BÌNH CHỊU ÁP LỰC Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS. HOÀNG NGỌC ĐỒNG Học viên : PHAN LÊ UY VŨ Ở nước ta hiện nay , thiết bị chịu áp lực ( bao gồm nồi hơi ,bình chịu áp lực, thiết bị làm lạnh v.v) đang được sử dụng rộng rãi và ngày càng nhiều không những trong sản xuất mà cả trong sinh hoạt . Việc sử dụng thiết bị chịu áp lực , luôn luôn gắn liền với những yếu tố nguy hiểm , như nổ thiết bị, rò rỉ môi chất độc hại , bỏng nhiệt, điện giật, va đập cơ học v.v... Trong đó nguy hiểm nhất là hiện tượng nổ vỡ thiết bị chịu áp lực . Khi nổ thiết bị chịu áp lực , nó gây ra hậu quả rất to lớn , có thể làm chết và bị thương nhiều người, phá huỷ công trình nhà xưởng và thiết bị. I- LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Thời gian vừa qua xảy ra rất nhiều vụ tai nạn lao động do sự cố nổ vỡ thiết bị chịu áp lực , có nhiều vụ hết sức nghiêm trọng , đã gây thiệt hại khá lớn về người và tài sản . Để góp phần xác định nguyên nhân và các biện pháp ngăn chặn những sự cố đáng tiếc xảy ra trong sản xuất, sử dụng và bảo quản bình chịu áp lực , tôi chọn đề tài : “ Nghiên cứu nổ vỡ bình chịu áp lực “ I- LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong đề tài này chúng tôi muốn nghiên cứu những nguyên nhân gây nổ vỡ bình chịu áp lực .Tổng hợp đưa ra những công thức tính áp suất cho bình chịu áp lực để giúp cho người thiết kế và người sử dụng có thể tính kiểm tra thiết bị của mình.Và đưa ra các giải pháp đề phòng , hạn chế sự cố nổ vỡ bình chịu áp lực II- MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU - Áp suất cho phép, áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình. - Luật thay đổi nhiệt độ, áp suất khi gia nhiệt môi chất trong bình kín. Công sinh ra và xác định ảnh hưởng của sự hình thành quả cầu lửa khi nổ vỡ bình chịu áp lực - Các nguyên nhân gây ra sự cố nổ vỡ bình chịu áp lực và các giải pháp hạn chế. III- NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Chương 1: Tổng quan về bình chịu áp lực Chương 2: Áp suất cho phép, áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình và công sinh ra khi nổ vỡ bình Chương 3: Tìm luật tăng nhiệt độ và áp suất khi gia nhiệt môi chất trong bình kín. Chương 4: Phân tích các nguyên nhân gây ra sự cố và các giải pháp hạn chế sự cố nổ vỡ bình chịu áp cố áp lực Chương 5: Ứng dụng tính toán kiểm tra thiết bị thực tế IV- CẤU TRÚC LUẬN VĂN Chương 1: Tổng quan về bình chịu áp lực Bình chịu áp lực là một thiết bị dùng để tiến hành các quá trình nhiệt học hoặc hoá học , cũng như để chứa và chuyên chở môi chất có áp suất lớn hơn áp suất khí quyển. Bình chịu áp lực được sử dụng trong cả hai lãnh vực công nghiệp và sinh hoạt . Về lý thuyết nó có thể ở bất cứ hình dạng nào, nhưng hình cầu, hình côn, hình trụ thường được sử dụng. Về lý thuyết , mặt cầu sẽ có hình dạng tối ưu cho bình chịu áp lực nhưng mặt cầu rất khó để sản xuất do đó nó đắt tiền hơn , vì vậy phần lớn bình chịu áp lực là thân trụ với hai đáy bán ellip. Chương 1: Tổng quan về bình chịu áp lực - Bình chịu áp lực liên hợp : là tổ hợp gồm hai hay nhiều bình chịu áp lực nối với nhau làm việc trong điều kiện giống hoặc khác nhau về áp suất, nhiệt độ và môi chất. - Bể ( xitéc ) : là bình chịu áp lực được đặt trên toa xe hoả, ô tô hay các phương tiện vận tải khác. - Thùng : là bình chịu áp lực có dạng hình trụ đặt nằm hoặc đứng có thể di chuyển hoặc đặt cố định. - Chai : là một loại bình chịu áp lực bằng kim loại có dung tích nhỏ ( thường dưới 100 lít ) dùng để chứa các chất lỏng, khí nén, khí hoá lỏng, khí hoà tan ở áp suất. - Bình hấp hoặc nồi nấu : là loại bình chịu áp lực trong đó xảy ra quá trình nhiệt học và có thể được đốt nóng bằng điện, khí nóng, hơi nước hoặc nhiên liệu khác. - Nồi hơi đun bằng điện : là nồi hơi dùng điện để đun nước thành hơi dùng cho các thiết bị khác. Chương 2. Áp suất cho phép, áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình và công sinh ra khi nổ vỡ bình. 2.1. Xây dựng quan hệ giữa ứng suất cho phép của vật liệu với nhiệt độ Chương 2. Áp suất cho phép, áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình và công sinh ra khi nổ vỡ bình. 2.1. Xây dựng quan hệ giữa ứng suất cho phép của vật liệu với nhiệt độ Chương 2. Áp suất cho phép, áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình và công sinh ra khi nổ vỡ bình. 2.1. Xây dựng quan hệ giữa ứng suất cho phép của vật liệu với nhiệt độ Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự thay đổi ứng suất cho phép của một số kim loại. Chương 2. Áp suất cho phép, áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình và công sinh ra khi nổ vỡ bình. 2.2. Áp suất cho phép và áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình khi chịu áp suất trong Thân trụ : Thân cầu : Đáy ellip : Đáy chỏm cầu : Chương 2. Áp suất cho phép, áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình và công sinh ra khi nổ vỡ bình. 2.2. Áp suất cho phép và áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình khi chịu áp suất trong Đáy bán cầu : Đáy côn không uốn mép : Đáy côn có uốn mép : Di : Đường kính trong của đáy côn tính từ điểm mép côn với tiếp tuyến phần chuyển tiếp vuông góc với trục côn. Chương 2. Áp suất cho phép, áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình và công sinh ra khi nổ vỡ bình. 2.2. Áp suất cho phép và áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình khi chịu áp suất trong Chương 2. Áp suất cho phép, áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình và công sinh ra khi nổ vỡ bình. Áp suất cho phép và áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình khi chịu áp suất ngoài: Đối với thân trụ : Chương 2. Áp suất cho phép, áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình và công sinh ra khi nổ vỡ bình. Áp suất cho phép và áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình khi chịu áp suất ngoài: Đối với thân cầu, đáy cầu, chỏm cầu: Đối với đáy ellip: Chương 2. Áp suất cho phép, áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình và công sinh ra khi nổ vỡ bình. Áp suất cho phép và áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình khi chịu áp suất ngoài: Đối với nắp phẳng: Đối với đáy côn: Chương 2. Áp suất cho phép, áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình và công sinh ra khi nổ vỡ bình. Công sinh ra khi nổ vở bình chịu áp lực : Khi bình áp lực chứa môi chất được xem như là khí lí tưởng Ở thể khí hoặc hơi Ở thể lỏng và hơi Chương 2. Áp suất cho phép, áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình và công sinh ra khi nổ vỡ bình. Công sinh ra khi nổ vở bình chịu áp lực : Khi bình áp lực chứa môi chất là khí thực, chất lỏng quá nhiệt Xác định nội năng của trạng thái giản nở: Tính toán công riêng ta xác định nội năng riêng của trạng thái đầu, u1 Tính toán công nổ m1 là khối lượng môi chất được giải phóng . Chương 2. Áp suất cho phép, áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình và công sinh ra khi nổ vỡ bình. Hiện tượng nổ do giãn nở đột ngột khi hoá hơi của các chất lỏng sôi: Kích thước của quả cầu lửa và thời gian cháy : Chiều cao của quả cầu lửa : Công suất bức xạ : Cường độ bức xạ từ vị trí bề mặt quả cầu lửa đến vật ở khoảng cách đã cho : Chương 3. Tìm luật thay đổi nhiệt độ, áp suất và tính dự báo sự cố áp lực khi gia nhiệt môi chất trong bình kín Luật thay đổi nhiệt độ của môi chất trong bình kín khi gia nhiệt Chương 3. Tìm luật thay đổi nhiệt độ, áp suất và tính dự báo sự cố áp lực khi gia nhiệt môi chất trong bình kín Luật thay đổi nhiệt độ của môi chất trong bình kín khi gia nhiệt Chương 3. Tìm luật thay đổi nhiệt độ, áp suất và tính dự báo sự cố áp lực khi gia nhiệt môi chất trong bình kín Luật thay đổi nhiệt độ của môi chất trong bình kín khi gia nhiệt Chương 3. Tìm luật thay đổi nhiệt độ, áp suất và tính dự báo sự cố áp lực khi gia nhiệt môi chất trong bình kín Luật thay đổi nhiệt độ của môi chất trong bình kín khi gia nhiệt Chương 3. Tìm luật thay đổi nhiệt độ, áp suất và tính dự báo sự cố áp lực khi gia nhiệt môi chất trong bình kín Luật thay đổi nhiệt độ của môi chất trong bình kín khi gia nhiệt Chương 3. Tìm luật thay đổi nhiệt độ, áp suất và tính dự báo sự cố áp lực khi gia nhiệt môi chất trong bình kín Luật thay đổi nhiệt độ của môi chất trong bình kín khi gia nhiệt Chương 3. Tìm luật thay đổi nhiệt độ, áp suất và tính dự báo sự cố áp lực khi gia nhiệt môi chất trong bình kín Luật thay đổi nhiệt độ của môi chất trong bình kín khi gia nhiệt Chương 3. Tìm luật thay đổi nhiệt độ, áp suất và tính dự báo sự cố áp lực khi gia nhiệt môi chất trong bình kín Luật thay đổi nhiệt độ của môi chất trong bình kín khi gia nhiệt Chương 3. Tìm luật thay đổi nhiệt độ, áp suất và tính dự báo sự cố áp lực khi gia nhiệt môi chất trong bình kín Phương pháp xác định thời điểm xảy ra sự cố : Phương pháp giải tích Chương 3. Tìm luật thay đổi nhiệt độ, áp suất và tính dự báo sự cố áp lực khi gia nhiệt môi chất trong bình kín Phương pháp xác định thời điểm xảy ra sự cố : Phương pháp đồ thị Chương 4. Phân tích các nguyên nhân gây ra sự cố và các giải pháp hạn chế sự cố nổ vỡ bình chịu áp lực 4.1 Nguyên nhân hư hỏng và nổ vỡ bình chịu áp lực 4.1.1 Nguyên nhân ứng suất cho phép của vật liệu chế tạo của bình giảm - Do chọn vật liệu không đúng trong quá trình thiết kế. - Trong quá trình chế tạo bình làm giảm các tính bền của vật liệu. - Trong khi sử dụng đã làm giảm độ bền của vật liệu chế tạo nên thiết bị - Do tăng quá cao nhiệt độ làm việc của kim loại - Do có những hư hỏng bên trong vật liệu như kim loại bị mài mòn cơ học và ăn mòn bởi các tác nhân hóa học và điện hóa học - Do bị giản nỡ nhiệt không đều. - Do sửa chữa hoặc cải tạo không đúng quy trình kỹ thuật . 4.1.2 Nguyên nhân áp suất trong bình tăng quá mức - Do lượng môi chất được cung cấp, nạp vào bình hay sinh ra trong bình tăng quá mức - Do nhiệt độ môi chất trong bình tăng lên. - Trong quá trình vận hành không đúng quy trình kỹ thuật. - Van an toàn và các thiết bị bảo vệ bị hỏng. Chương 4. Phân tích các nguyên nhân gây ra sự cố và các giải pháp hạn chế sự cố nổ vỡ bình chịu áp lực 4.2. Các giải pháp hạn chế sự cố nổ vở bình chịu áp lực 4.2.1. Các giải pháp hạn chế giảm ứng suất cho phép - Khi thiết kế tùy theo nhiệt độ làm việc của thiết bị mà chọn loại vật liệu tương ứng - Về mặt chế tạo, phải bảo đảm sao cho trong và sau khi chế tạo, trong kim loại không sinh ra những biến dạng dư. Các chi tiết của thiết bị được giản nở tự do. - Tránh dùng môi chất gây ăn mòn của thiết bị , đóng cáu lên các mặt trao đổi nhiệt. 4.2.2. Các giải pháp hạn chế tăng áp suất quá mức - Phải lắp đặt đầy đủ các thiết bị bảo vệ và đảm bảo cho chúng luôn ở trạng thái sẵn sàng làm việc. Các thiết bị bảo vệ phải được cân chỉnh , cài đặt ở các thông số tác động phù hợp. - Khả năng xả hơi ra của van an toàn phải đảm bảo khống chế được áp suất trong bình , nhưng cũng không được quá lớn, khiến cho việc xả hơi ra quá nhiều áp suất sẽ bị giảm đi đột ngột - Đối với các bình chứa khí, khí hoá lỏng thì nạp môi chất vào bình đúng qui định. Tránh xa các nguồn nhiệt. Chương 5. Ứng dụng tính toán kiểm tra thiết bị thực tế 5.1 Nồi hơi điện trở . Chương 5. Ứng dụng tính toán kiểm tra thiết bị thực tế 5.2. Tính vỏ bình chứa LPG - Áp suất sự cố tính toán đối với bình: psc = 72 Bar. - Áp suất phá huỷ thực tế : Ptt =98 kG/cm2 ( 96,1 Bar ) - Sử dụng môi chất 100% propane : tsc = 147,77 0C - Sử dụng môi chất 100% Butane : tsc = 254,4 0C Chương 5. Ứng dụng tính toán kiểm tra thiết bị thực tế 5.2. Tính vỏ bình chứa LPG KẾT LUẬN - Tổng hợp đưa ra được các công thức tính áp suất cho phép và áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình. Dựa vào đó chúng ta có thể tính thiết kế hay tính kiểm tra áp suất cho phép đối với các bình chịu áp lực. - Xây dựng được mối quan hệ giữa ứng suất cho phép của vật liệu với nhiệt độ và sự liên hệ giữa nhiệt độ với áp suất của môi chất . Dựa vào đó chúng ta có thể nhận biết được tình trạng làm việc của bình. Tính toán nhanh hoặc dùng để lập trình trong việc tính toán thiết kế, kiểm tra bình đối với từng loại vật liệu chế tạo và môi chất sử dụng. - Ta hoàn toàn xác định thời gian nổ khi gia nhiệt cho môi chất trong bình . Sự gia nhiệt luôn luôn kèm theo sự tăng nhiệt độ và áp suất của môi chất trong bình nếu van an toàn hay thiết bị bảo vệ khác không hoạt động thì áp suất sẽ vượt quá áp suất cho phép , tình trạng này kéo dài sẽ gây nên sự cố. Do vậy việc tính được thời gian nổ là rất cần thiết cho việc tính thiết kế, kiểm tra dự báo sự cố áp lực cho thiết bị. KẾT LUẬN - Xác định được công sinh ra và sự ảnh hưởng bức xạ nhiệt của quả cầu lửa được hình thành khi xảy ra sự cố nổ vỡ bình chịu áp lực .Từ đó chúng ta đánh giá được mức độ phá hoại của chúng để đề ra các yêu cầu về vị trí lắp đặt cho từng loại thiết bị dựa vào điều kiện làm việc cụ thể của từng thiết bị và biện pháp phòng ngừa chúng. - Xác định rõ các nguyên nhân gây nổ vỡ bình chịu áp lực và đã đề xuất các giải pháp hạn chế sự cố nổ vỡ bình chịu áp lực. Qua đó giúp chúng ta tốt hơn trong việc thiết kế, chế tạo, quản lý và sử dụng thiết bị chịu áp lực để góp phần giảm thiểu tai nạn lao động. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI - Tổng hợp xây dựng hoàn chỉnh các công thức tính bền đối với bình chịu áp lực để có thể áp dụng cho Tiêu chuẩn Việt Nam về bình chịu áp lực. - Lập trình phần mềm tính toán để tính toán thiết kế , kiểm tra bền bình chịu áp lực . Lập trình phần mềm tính toán tìm luật tăng nhiệt độ - áp suất và dự báo sự cố khi gia nhiệt môi chất trong bình kín. - Khảo sát và thu thập số liệu về tình hình sử dụng và chế tạo thiết bị chịu áp lực tại Việt Nam. Xin chân thành cám ơn Hội đồng bảo vệ luận văn đã quan tâm theo dõi.  Người thực hiện: Phan Lê Uy Vũ LỜI CẢM ƠN